基于有限元法的铸造热应力数值模拟及其智能化技术的研究

摘要

铸造过程产生的热应力会引起热裂、冷裂、翘曲变形及残余应力集中等铸造缺陷和问题，影响铸造产品的精度和使用寿命，甚至导致产品直接报废。采用铸造热应力模拟技术，能够有效地分析铸件在凝固过程中的热应力和变形的产生与演化，预测可能发生的缺陷和问题，为铸造工艺的设计与优化提供理论指导。目前，铸造过程的热应力数值模拟仍处于发展阶段，是铸造过程宏观模拟的一个研究热点和难点。本文对有限元铸造热应力数值模拟所涉及的各个部分都进行了比较深入的研究和探讨，包括有限元网格划分、应力场数学建模、数值求解和图形显示等，开发了铸造热应力数值模拟系统，并提出了一系列智能化方法简化系统的操作，增强系统的应用价值。
　　首先，提出了一个稳健的有限元四面体网格划分算法，开发了有限元网格划分模块，能够智能地生成复杂带错铸件几何模型的有限元四面体网格。在此有限元网格划分算法中，用隐式曲面转换方法智能地对几何模型进行必要的装配操作并且修复大多数几何错误，用中轴距离法和内部边中点距离法自适应地计算网格单元尺寸，并用桁架力平衡方法自动生成质量优良的有限元四面体网格，用QEM（Quadratic Error Metrics）能量泛函最小方法保证与原几何模型的几何一致性。经过若干个由简单到复杂的几何模型及装配体的测试，证明了此网格划分算法的智能化与实用性，适用于复杂的铸造工艺几何模型。
　　其次，在热弹塑性理论的基础上建立了热-力单向耦合分析的铸造热应力场数学模型，并采用铸型边界单元模型处理铸造系统中铸件与铸型间复杂的相互作用，开发了铸造过程的有限元热应力数值计算模块。在有限元热应力数值计算模块中，提出了基于K-D树的智能化方法快速简便地设置各种复杂的力学边界条件，并尝试性地提出了热裂判据和冷裂判据。该有限元热应力数值计算模块能够模拟铸件在凝固过程中和脱模之后的应力应变分布及变形情况，预测铸件中可能存在的热裂与冷裂缺陷。
　　再次，为海量的模拟数据设计了三层数据模型，采用了智能化的数据加载策略，开发了基于有限元法的铸造应力场后处理图形显示系统，实现了具有真实感的海量数据的快速图形显示。同时研究了定点数据快速获取算法和偏光方式的三维虚拟现实显示技术，实现了“数值鼠标”功能和三维虚拟现实图形立体显示等功能，让海量的模拟数据更加真实直观地展现出来。
　　最后，采用典型的栅形应力框铸件对有限元铸造热应力数值模拟系统进行校核以及实验验证，并将所开发的有限元铸造热应力数值模拟系统应用到轧辊和行星架这两个实际生产的铸件上。在栅形应力框铸件的热应力数值模拟中，系统地研究了在不同铸型边界条件下应力、应变与变形的分布以及随时间的变化规律，并将模拟结果与理论分析和实验结果进行对比，在趋势上基本一致。在此基础上，分析了轧辊和行星架这两个铸件在凝固过程中的温度场和应力场的演变过程，根据结果数据中的应力应变集中情况以及本文提出的热烈判据预测铸件中可能产生的热裂缺陷，并与铸件在实际生产中出现的热裂缺陷进行对照，数值模拟的预测结果与实际结果吻合较好。试验件和实际生产铸件的实例都证明本文的有限元铸造热应力数值模拟系统计算结果比较准确可靠，能够为实际的铸造生产提供科学指导。

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1 绪论

1.1 课题的背景和意义

1.2 前处理有限元网格划分研究现状

1.3 铸造热应力数值模拟研究现状

1.4 后处理结果数据图形图象显示研究现状

1.5 本文的研究内容及研究目标

2 铸造有限元四面体网格划分算法原理及实现

2.1 引言

2.2 智能化有限元网格划分算法总体流程

2.3 几何模型的特征提取与几何错误的智能化处理方法

2.4 有限元网格自适应网格尺寸的智能化计算方法

2.5 四面体网格划分、优化及边界保持方法

2.6 铸造有限元四面体网格划分功能的实现

2.7 有限元网格划分算法的实例测试

2.8 本章小结

3 有限元铸造热应力数学模型及数值计算方法

3.1 引言

3.2 铸造过程热应力数值模拟的基本假设

3.3 铸造过程热应力数值模拟的数学模型

3.4 基于热弹塑性模型的热裂与冷裂判据

3.5 铸造过程热应力数值模拟的有限元离散与求解方法

3.6 铸造力学边界条件的智能化设置方法

3.7 脱模过程计算方法

3.8 有限元铸造热应力数值模拟模块

3.9 本章小结

4 后处理图形显示算法及理论模型

4.1 引言

4.2 后处理模块的数据模型架构和层次划分

4.3 后处理模块的海量数据智能化加载策略与显示方法

4.4 实时响应的数值鼠标功能实现方法

4.5 三维虚拟现实图象实时显示方法

4.6 后处理图形显示模块

4.7 本章小结

5 有限元铸造热应力数值模拟系统的实验验证和应用实例

5.1 引言

5.2 应力框铸件的热应力数值模拟

5.3 应力框试件浇注实验与结果验证

5.4 轧辊铸件的热应力数值模拟

5.5 行星架铸件的热应力数值模拟

5.6 本章小结

6 总结和展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录Ⅰ 攻读博士学位期间发表的论文